随着MOS器件尺寸的缩小和栅氧化层厚度的减薄，栅泄漏变得愈发显著，对CMOS器件和电路可靠性的影响也愈发严重，成为限制器件及电路寿命的主要因素之一。本文对90nm CMOS工艺下MOSFET的栅极泄漏电流的物理机制以及相关的可靠性问题进行了深入和系统的研究。本研究主要涉及两个基本内容：超薄栅氧MOS器件中的直接隧穿(DT)电流和DT区多种应力下应力感应的栅泄漏电流(SILC)。　　 本文首先对超薄栅氧MOS器件中的直接隧穿电流进行了研究。讨论了MOS结构的隧穿机理。对超薄栅氧MOS器件直接隧穿电流中的相关问题进行了讨论，包括多晶硅耗尽效应的影响、量子效应的影响以及隧穿电流组成成分。研究了90nm的CMOS工艺下栅氧厚度为1.4nm MOSFET的直接隧穿电流。分析了直接隧穿栅电流随沟道长度、沟道宽度、测试栅压、漏端偏置、衬底偏置变化规律。对标准90nm CMOS工艺生产的栅氧化层厚度为1.4nm MOSFET传统关态下边缘直接隧穿栅泄漏(EDT)进行测试研究。采用仿真的方法，研究直接隧穿栅泄漏电流对CMOS逻辑电路的影响。研究了几种均匀应力下超薄栅氧MOS器件退化特性及栅泄漏。在实验结果的基础上，发现正和负直接隧穿应力过程中NMOS器件的SILC退化和Vth退化均存在线性关系。为了解释直接隧穿应力下SILC的起因，建立了一个界面陷阱和氧化层陷阱正电荷共同辅助隧穿模型。对恒定栅压(CGV)和衬底热电子(SHE)两种应力下超薄栅氧NMOS器件SILC特性和机理作了比较研究，证实了由热电子引起的氧化层击穿与CGV应力下的击穿特性不同。对超薄栅氧PMOS器件衬底热空穴(SHH)应力下SILC特性和机理也进行了研究。SHH应力过程中，热空穴注入氧化层使得Si-O键断裂。Si-O键断裂引起氧化层网络结构的改变。损伤的积累最终导致氧化层击穿。　　 本文研究了几种典型关态应力下超薄栅氧MOS器件退化特性及栅泄漏。对LDD NMOSFET中的GIDL应力特性进行了研究。利用GIDL电流去分析应力造成的损伤。发现应力前后GIDL电流的变化可以分成两个阶段。在第一阶段，空穴陷入氧化层起主要作用；但在第二阶段，电子陷入氧化层起主要作用。这是边缘直接隧穿和带带隧穿共同作用的结果。对GIDL应力下SILC起因，提出了一个可能机理。对超短超薄LDD NMOSFET中的Snapback应力特性进行了研究。Snapback应力过程中雪崩热空穴和电子同时注入栅氧化层，会产生界面态和大量中性电子陷阱。氧化层中的中性电子陷阱增加使得SILC增加和软击穿发生。研究了几种热载流子应力下超薄栅氧MOS器件退化特性及栅泄漏。对超短超薄LDD NMOSFET中的低栅压(LGV)和最大衬底电流(Isub，max)应力特性进行了研究。证实了低栅压应力仍然是空穴注入应力，而最大衬底电流应力是一种电子和空穴共同注入应力。在实验结果的基础上，发现两种应力过程中SILC退化和Vth退化均存在线性关系。提出了两种应力下超短超薄NMOS器件SILC起因于界面陷阱和氧化层陷阱电荷共同作用机制。对LDD NMOSFET中的高温沟道热电子应力特性进行了研究，发现高温沟道热载流子应力中SILC的退化和Vth的退化存在线性关系。为了解释高温沟道热载流子应力下SILC的起因，采用了界面陷阱和氧化层陷阱负电荷共同作用机制。